基于卫星共视法的时间频率远程校准原理

2020-02-03彭钰莹

电子技术与软件工程 2020年6期

彭钰莹

（北京卫星导航中心北京市 100094）

时间是国家体系七个基本单位中精度最高、应用最广的物理量，而其关于精度的测量要求也越来越高。由于计时工具的不断改进，对时间的准确度也在不断提升，现今已经提升至10-4数量级，甚至更高。而高精度的时间频率标准及传递比对和时间同步，能用于研究基本的物理常数是否会时间而发生变化，并且在深空探测、卫星导航等前沿的科技领域中得到广泛的应用。

卫星共视法是目前地球上远距离时间对比的主要方法之一，同时也是国际原子时合作的主要技术，其传递不确定度可精确到几纳秒。基本原理指的是地球上任意两地，在同一时刻接收到同一颗导航卫星，可以消除两条传播路径上的共同误差，从而能够对两地之间的时间进行对比。

时间频率的传递和发播是基准钟之间、守时钟组之间以及守时钟组和终端用户之间量值溯源、传递和比对的桥梁。而原子频率其具有自身的特点，能够有效的避免地理的限制，将电磁波作为载波从而进行远距离传输。随着卫星定位的广泛应用以及计算机技术的发展，从而为远程校准奠定良好的条件。

1 远程校准主要项目的国内外比对现状

时间频率远程校准服务主要是将卫星作为中间载体，从而对时间频率进行计量的一种方法，此种方法能够通过导航、通信以及电视直播等方式来传递，此种方法具有方便快捷、准确度高的特点。在运用此方法的时候，通常都是将卫星作为中间的转发器，将标准时间频率信号与待校准的用户相连接，从而使得在各自的实验室中就可以完成校准服务。例如：美国和俄罗斯之间就可以通过此种方法来实现时间的传递。通常应用较广的时间频率校准技术共包括三种，第一种是单向传递法，此种方法主要是待校准方能够直接从卫星信号中提取其所需要的关键信息；第二种方法为卫星共视法，此种方法主要是通过利用卫星，将卫星时间作为中间量，从而对两地之间的钟差进行准确的计算；第三种是卫星双向时间频率对比法，此种方法主要是通过对地球同步轨道中的通信卫星进行利用，将接收和发送的时钟信号进行相应的处理，从而得到两地的钟差[1]。另外，随着信息技术的不断发展，现今还有一种较为先进的时频对比技术，也就是光纤时频对比技术，此种方法主要是通过利用光纤直接将时间频率信号输送到异地，从而对两地之间的钟差进行计算。现今，我国在进行计量的时候，中国计量科学研究院通过利用GPS时频传递技术，从而实现了远程校准，并且此种方法已经有一定的固定用户，使用此种方法进行远程校准。在国际计量的领域中，美国、英国、日本和德国等国家也纷纷对远程校准技术进行了研究与推广，尤其是在美国、欧洲和日本等地对GPS 远程校准技术的应用范围较广，而由此也可以看出GPS 时频量传接收机的远程校准服务应用范围较广。

日本的远程校准技术的发展速度较广，此种技术不仅在本土得到了广泛的应用，同时对于日本在其他国家的企业也广泛应用远程校准技术。

美国的NIST 通过对GPS 进行利用，已经建设了一套完整的共视校准系统，在这套系统中能够铷原子钟、频率标准以及铯原子钟等进行远距离的校准，此系统主要是通过对GPS 进行利用从而对数据进行校准，所以应用可技术的用户可以分布在全国各地，但是随着用户与校准实验室之间的距离越来越远，所以会对校准的准确性造成一定的影响[2]。

相对于其他国家而言，我国关于远程校准的研究起步相对而言较晚，现今关于网络校准这方面的内容，较多的高校已经展开了相关的研究。中国工程物理研究所也开始对远程校准技术进行了相关的研究，其在进行研究的时候侧重点主要在校准测试系统和相关软件的设计上，但是关于时间频率远程校准的研究与应用较少，现今推广的重点主要在计量技术上。

2 卫星远程时间频率校准不确定度的比较

将卫星作为转发器从而对远程时间频率进行校准的时候，主要可包括三种校准方法，分别是单向传递法、双向对比法以及共视法这三种。而其中的共视法又可以分成单通道共视法、多通道共视法以及载波相位共视法。运用单项比对法主要是通过接收机直接读取信号，从而得到时频信息，但是由于中间量为运动的卫星，所以在采用此方法进行校准的时候将会受到传播路径时间上的延迟以及多普勒频移等方面的影响，并且不确定度也较大[3]。相对而言双向对比法不仅准确度较高同时不确定度也较小。此种方法只要是通过通信卫星来对频率信号进行传递，从而实现双向时间传递，而此种方法也是国际计量局使用较多的一种方法，但是这种方法对设备有着较高的要求，同时也会占用卫星通信时间，另外还需要卫星地面站进行配合，所以此标准的综合成本较高，导致使用此方法的机构较少。相对而言，共视法的准确度较高，同时成本相对而言较少，其只是对同一颗卫星进行跟踪，接收时间数据，对时间偏差进行计算，从而能够消除同种环境所带来的误差，而量传的精度也得到了明显的提高。

3 时间频率计量的校准方法

传统在对时间频率进行校准的时候通常是参考原子频标的方法，将待校准的原子频标放置在实验室内进行面对面的校准。此种校准方法在操作起来较为简单，但是由于原子频标尤其是高精度的原子频标，其对温度、稳定供电环境及振动等方面都存在很大的要求、例如：对于广泛使用的氢钟，在对其进行校准的时候，其对环境有着较高的要求，其要求测量环境的温度变化不超过±0.25℃，要求倾斜角应小于5°，并且在进行校准的时候应该长期不间断的对其进行供电，已经断电则很难将其调整至原来的相位。上述的传统方法在进行计量校准的时候对高精度的原子频标而存在很大的风险，并且在运输的过程中也需要投入较大的经费，而且无法进行面对面校准，而由于这样极高的要求，使得较多的用户放弃了定期校准，从而导致原子频标的最大效用无法真正的发挥出来[4]。

图1：共视法原理图

为了避免传统计量的风险，使原子频标的使用效率得到提升。本文采用一种行之有效的远程校准技术。除了具备传统的计量方法之外，远程校准技术还可以分为单向法、共视法以及卫星双向法这几种校准方法。单向法主要是通过授时接收机接收到卫星新高，并通过利用卫星授时的原理将接收到的卫星信号时间与待校原子频标进行对比从而实现远程校准技术。而卫星共视法主要是将卫星作为转发器，两地同时观测同一颗卫星，将得到的数据进行对比，从而实现远程校准。尾箱双向法主要是通过完全对称的信号传输路径来实现远程校准。本文主要讲述的为基于卫星共视法的时间频率远程校准，并对校准原理进行分析。

4 共视法校准比对原理分析

卫星共视法主要是指的是不同的地点的两站，将其分为校准方和待校准方，采用同一种卫星接收机对数据进行测量，例如：北斗接收机、GPS 接收机等，接收机将同一颗卫星作为跟踪对象，接收机能够对某个时间段所接收到两站的信号数据进行分析与提取，并对提取到的数据进行分析处理，在此基础上算出时间偏差，从而使得两个不同地点的时间达到同步。运用此种方法进行时间校准，能够消除在接收信号的过程中大气层折射所带来的影响，此种方法使得测量的结果更加准确，其测量的原理如图1 所示。

在清楚两站地坐标的前提下，假如在A 地和B 地的观测站中分别安装两个共视接收机，在同一时刻两站观测同一颗卫星，设卫星为io。其中将A、B 两侧的时钟数值用tA、tB来表示，将卫星的系统时间用ti来表示，通过运用单向时间传递的原理，从而可得到公式（1）和公式（2）。

通过对上述公式（1）和公式（2）中可以得出，上述的公式（1）所表示的为A 地共视接收机和卫星i 之间的钟差，上述公式（2）所表示的为B 地共视接收机和卫星i 之间的钟差，而将公式（1）和公式（2）之间做差，则能够求解出AB 两地之间的钟差，用来表示，详见公式（3）。

多通道共视接收机的使用原理与单通道共视接收机的原理相同，但是其能够接收到更多的数据。

5 实验验证

将卫星公式法远程校准原理作为基准，在校准实验室与被校准实验室之间选择一颗可视GPS 卫星，将其作为中间载体，在其中可输入基准信号的原子频标、接收卫星信号的天线以及分析数据的卫星共视机和卫星数据处理的工控计算机，从而形成远程校准硬件平台，将单台主动型氢钟作为本地参考原子频率标准对铷原子的频率标准进行远程校准，并通过利用数据处理和校准数据对比分析软件从而对数据进行分析，根据选取的约化儒略日，收集保存30 天以上的实验室数据，然后的A、B 两组数据进行分析。根据相关的公式进行分析后得到A 组的频率准确度为8.3×10-3，频率的日漂移为6.2×10-3，频率的稳定度为2.4×10-3，根据相关公式进行分析后可得到B 组的频率准确度为9.2×10-3，频率的日漂移为3.2×10-3，频率的稳定度为1.1×10-3，通过对上述两组数据结果进行分析可发现，A 组实验中所得到的铷原子频率标准的频率偏差、准确度和漂移度以及日稳定度在数值上基本维持一致。而天频率度指数与相关产品说明书上的指数也基本保持一致。

共视法比对过程中存在的不确定度去主要是由于信号传播中的误差、卫星的误差以及接收机偏差这三方面而造成的，其中还包括有卫星星历而引起的偏差、电离层延迟而出现的偏差、接收机通道延迟而出现的误差、对流程延迟而出现的误差以及天线相位中心出现的误差和星载时钟出现的误差等方面，另外在使用共视法对时间频率进行校准的时候，还需要考虑信号传播的路径、接收机接收的时间、接收机的误差等方面引起的误差，经过对多方面因素进行考虑之后得到的不确定数值为11ns。

通过对实验结果进行分析以及对影响不确定度的原因进行分析后，得出相关的结论：运用卫星共视法进行时间频率远程校准的时候，其具备稳定性、正确性等可靠性，此方法能够为铷原子频率标准提供可行的远程量值溯源服务，在进行时间频率远程校准的时候可使用此方法。